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Ratgeber

   

Laserdioden

Laserdioden gehören zweifellos zu den faszinierendsten elektronischen Bauelementen. Ohne sie gäbe es weder DVDs und Laserdrucker noch hochpräzises berührungsfreies Messen zu geringen Kosten. Seit den ersten kommerziellen Lasern in 1960er Jahren ist die Entwicklung rasant fortgeschritten. Heute sind erschwingliche Laser auf Halbleiterbasis in zahlreichen Geräten in der Medizin, in der Kommunikation und in Wissenschaft und Unterhaltung zu finden. Wir informieren Sie hier über die wichtigsten Eigenschaften von Laserdioden und geben Tipps für die Beschaffung.



So funktionieren Halbleiterdioden für Laserlicht

Eine Halbleiterdiode zur Erzeugung von Laserlicht in unterschiedlichen Wellenlängen ist ein kleines, stromsparendes und kostengünstiges Bauelement. Sie verwandelt elektrische Energie direkt in Licht. Angetrieben durch Spannungen von wenigen Volt, ermöglicht der dotierte p-n-Übergang in der Diode die Rekombination eines Elektrons mit einem Loch. Durch den Abfall des Elektrons von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres wird Strahlung in Form eines emittierten Photons frei. 

Wie bei anderen Lasern ist die Verstärkungsregion mit einem optischen Resonator – dem Wellenleiter – umgeben. Emittierte Photonen wandern entlang des Wellenleiters und werden dabei von jeder Endfläche mehrmals reflektiert, bevor sie austreten. Durchläuft eine Lichtwelle den Hohlraum, bewirkt die stimulierte Emission eine Verstärkung des Strahls. Allerdings geht auch Licht durch Absorption und durch unvollständige Reflexion an den Endfacetten verloren. Wenn allerdings mehr Verstärkung als Verlust vorhanden ist, beginnt die Diode zu "lasern". Die Wellenlänge des emittierten Strahls wird durch das Halbleitermaterial bestimmt, bei heutigen Laserdioden reicht die Wellenlänge von Infrarot bis zu Ultraviolett.



Typische Einsatzbereiche von Laserdioden

Laserfähige Dioden sind der am häufigsten hergestellte Lasertyp mit einem breiten Anwendungsspektrum. Sie finden sich beispielsweise in der Telekommunikation als leicht modulierbare und problemlos einkoppelbare Lichtquellen für die Glasfaserkommunikation. Verschiedene Messgeräte wie Entfernungsmesser basieren häufig auf diesen kostengünstigen Bauteilen. Eine weitere häufige Anwendung ist der Einsatz in Barcode-Lesegeräten. Sichtbare Laser, typischerweise in den Farben Rot oder Grün, sind als Laserpointer üblich. 

Sowohl Dioden mit niedriger als auch mit hoher Leistung werden in der Druckindustrie in großem Umfang eingesetzt, sowohl als Lichtquellen zum Scannen von Bildern als auch zur Herstellung von Druckplatten, beides mit sehr hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung. Infrarot- und rote Laserdioden sind in CD-Playern, CD-ROMs und der DVD-Technologie weit verbreitet. Violette Laser beherrschen die HD-DVD- und Blu-ray-Technologie.


Laserdioden haben auch viele Anwendungen in der Laserabsorptionsspektrometrie zur schnellen und kostengünstigen Bestimmung oder Überwachung der Konzentration verschiedener Spezies in der Gasphase gefunden.
Hochleistungslaserdioden finden sich vermehrt in industriellen Anwendungen wie Wärmebehandlungen, Schneiden und Schweißen.

Die meisten Anwendungen könnten von größeren Festkörperlasern oder optischen parametrischen Oszillatoren bedient werden, aber die niedrigen Kosten der in Massenproduktion hergestellten Laserdioden machen sie für Anwendungen im Massenmarkt unverzichtbar.


Viele Anwendungen nutzen vor allem die Eigenschaft der gerichteten Energie eines optischen Strahls. Zu dieser Kategorie gehören beispielsweise Laserdrucker, Barcodeleser, Bildabtastungssysteme, Beleuchtungen, optische Datenaufzeichnung, Verbrennungszündung, Laserchirurgie und industrielle Sortierung. Einige dieser Anwendungen sind bereits etabliert, während andere erst im Entstehen begriffen sind.

Da das Licht von Lasern inhärent kohärent ist, nutzen bestimmte Anwendungen dessen Kohärenz aus. Vorherrschende Bereiche sind Entfernungsmessung, Telekommunikation, spektroskopische Abtastung, Erzeugung von Hochfrequenz- oder Terahertz-Wellen, Atomuhr-Zustandserstellung, Quantenschlüssel-Kryptographie, Frequenzverdopplung und -umwandlung, Wasserreinigung und photodynamische Therapie.



Auswahlkriterien für die Beschaffung von Laserdioden

Zunächst ist es wichtig zu wissen, dass zahlreiche Laserdioden „unfertig“ angeboten werden. Dies bezieht sich auf das Fehlen der optischen Linse zur Bündelung des Laserstrahls. Nur eine sogenannte Kollimatorlinse bündelt den Strahl und sorgt für die punktförmige Fokussierung auch über längere Strecken hinweg. In diesem Zusammenhang ist auch der Divergenz-Wert zu beachten. Er gibt an, um wie viele Millimeter der Laserstrahl pro zurückgelegtem Meter breiter wird



FAQ – häufig gestellte Fragen

Gibt es spezielle Steuerungs- und Überwachungselemente für Laserdioden?

Zusammengefasst werden solche Schaltungen unter dem Oberbegriff Laserdioden-Controller. Sie bestehen in der Regel aus einer Konstantstromquelle kombiniert mit einem TEC-Temperaturregler. Ihre Aufgabe ist es, einen Halbleiterlaser mit einem konstanten, stabilen Strom zu versorgen und die Temperatur des Lasers zu regeln.

Laserdioden-Controller enthalten neben der rauscharmen Stromquelle zur Vorspannung des Lasers auch eine bipolare Stromquelle für einen Peltierkühler, der die Temperatur des Lasers regelt.
 

Warum gibt es auch Laserdioden mit drei Anschlussdrähten?

Laser-Halbleiter mit drei Anschlüssen enthalten im Inneren des TO-18-Gehäuses neben der Laser- zusätzlich noch eine Fotodiode. Deren Aufgabe ist die Überwachung der Laserleistung. Vorteil: Steigt oder sinkt die Leistung des Lasers, signalisiert die Fotodiode die Zustandsänderung an die Controller-Schaltung, die daraufhin beispielsweise die Betriebsspannung erhöht oder absenkt.

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